物理學家的技術發明案例分析（Ⅲ）激光器發明過程的創造學啟示

劉家岡 李俊清 王本楠

（1北京林業大學，北京 100083）

（2中國科學院生態環境研究中心，北京 100083）

物理學家的技術發明案例分析（Ⅲ）激光器發明過程的創造學啟示

劉家岡1李俊清1王本楠2

（1北京林業大學，北京 100083）

（2中國科學院生態環境研究中心，北京 100083）

扼要敘述了物理學家發明激光器的過程和思路，分析其在創造學上的啟示.指出它符合發明的“效應潛力挖掘法”、“條件實現改進法”和“效應倍增法”等三條創造技法.

激光器；發明；創造技法；效應；條件；倍增

文獻［1］根據法拉第首先發明電動機和發電機的實際過程，提出了利用科學原理進行技術發明的三條創造技法，也就是“效應潛力挖掘法”、“條件實現改進法”和“效應倍增法”.文獻［2］證明了物理學家在核能的開發利用過程中也還是采用了這三條創造技法.本文則分析了激光技術開發的歷史，表明物理學家在其中實際上也是遵循、采用了這三條創造技法.

眾所周知，激光器的發明，是20世紀科技史上最重要、影響最深遠的事件之一，是基礎科學成果轉化成生產力的典范，也是一場物理學家親自扮演發明家的歷史大戲.為了發明激光器，物理學家經歷了大約40年的艱苦探索.本文扼要地敘述物理學家發明激光器的過程和思路，分析其在創造學上的啟示.

1 受激輻射的潛力

1917年，愛因斯坦為解釋黑體輻射定律，研究黑體輻射是怎樣達到熱平衡時，發現僅憑當時已知的自發輻射和受激吸收是不夠的.為了使黑體輻射能夠達到熱平衡，他提出受激輻射的理論.所謂受激輻射，就是一個入射光子，經過一個原子，當入射光子的頻率與原子的兩個能級差之間，滿足玻爾的躍遷假設時，這個原子就會從一個高能級受激躍遷到一個低能級，同時發出一個光子，它跟原來那個激發它的入射光子具有完全相同的頻率、方向、偏振和相位，二者是相干的光子.

依據受激輻射理論，一個光子，可以引發一個相干光子，一個變兩個.那么，只要條件合適，就可以從兩個變四個，四個再變八個，……如此變下去，不就實現了光放大了嗎！于是人們認識到，受激輻射的效應，利用這種正反饋的方法，具有光放大的極大潛力.

不過，具體如何實現這種光放大？那時沒有人知道，這就放下來了.

但是物理學并沒有停止其自身發展的腳步.

1923年，德布羅意提出了物質波的概念，即實物粒子具有波粒二象性.

1925—1926年，海森伯、玻恩、約旦建立了矩陣力學.

1926年，薛定諤提出薛定諤方程，建立了波動力學，統一的量子力學誕生.

英國遠征軍1914年8月開赴法國時僅有827輛汽車（包括747輛征用的車）和25輛摩托車，到戰爭結束前幾個月，英國陸軍車輛達到了5.6萬輛卡車、2.3萬輛汽車、3.4萬輛摩托車和機動腳踏車。此外，1917年4月，參戰的美國帶到法國5萬輛汽油驅動車。這些車輛根據部隊的需要，將部隊和補給從一地迅速運到另一地。而德國占據優勢的火車因為缺乏機動性，在戰爭中漸漸失去優勢。

1928年，布洛赫利用量子力學研究了固體周期勢中的自由電子的傳播，提出了能帶論，開創了固體物理的新時代.

1931年，威爾遜用能帶論解釋了絕緣體、導體的區別，從而奠定了半導體物理的基礎.到20世紀40年代末期，固體物理學（包括半導體物理學）獲得了爆炸式的發展.

總之，經過1920—1940年代，量子力學和固體物理學相繼產生并獲得了長足發展，而光放大這個話題卻被擱置一邊.

現在回過頭來看，為什么從1917年愛因斯坦提出受激輻射，到1950—1960年期間實現微波受激輻射和光受激輻射，其中約有40年的空白？作者認為可能有三個重要原因.其一是開始時還沒有量子力學和固體物理學，人們對物質的能級結構沒有系統概念，不太可能為光放大設計出合適的機構；另一個就是后來量子力學以及固體物理學激動人心的迅速發展，吸引了大批優秀物理學家的注意力；再后來發生了第二次世界大戰，大批物理學家又卷入了戰爭，進行雷達技術的研究，特別是參與研制核武器的曼哈頓計劃.雖然1940年前后，就有人在研究氣體放電實驗中，觀察到粒子數反轉現象，按當時的實驗技術基礎，就具備建立某種類型的激光器的條件.是戰爭拴住了大批優秀的物理學家，無暇顧及這個光放大的設想.當時愛因斯坦則沉浸在他的統一場論的宏偉研究中.

2 微波激射器的誕生

“二戰”后，實現受激輻射的條件基本上具備了.量子力學、固體物理學（包括半導體物理學）已經成熟，大批物理學家從軍事部門回到大學等民間學術機構，一些人在戰爭期間因為研制雷達而在微波波譜學方面有著豐富的科研積累，成為受激輻射研究的主力.

其中，美國物理學家C.H.湯斯是一個關鍵人物.“二戰”中，他在貝爾實驗室從事雷達研究，并成為微波波譜學方面的專家.“二戰”后的1948年，他進入哥倫比亞大學任教.因為雷達技術涉及微波的發射和接收，湯斯一直希望找到一種能產生高強度毫米波的器件.而用傳統器件因為尺寸會太小而非常困難，他想到利用微波和分子之間的相互作用、特別是利用受激輻射效應來實現.

當時人們已經認識到，粒子數反轉是放大的必要條件.1951年，哈佛大學的珀塞爾和龐德用核磁共振法獲得了“粒子數反轉”，粒子數反轉使氣體受到激發，產生大量的受激微波輻射，為激光的誕生創造了條件.但它們的信號還是太弱，人們無法實際利用.

湯斯感到，并不是不能實現粒子數反轉，而是沒有辦法進一步放大.他一直在苦思這個問題.因為湯斯很熟悉微波工程，他首先想到了諧振腔.他設想，如果將工作介質置于諧振腔內，使輻射反復振蕩，利用受激輻射的正反饋作用，也許可以放大.

湯斯小組歷經兩年的試驗，終于在1953年制成了第一臺用氨分子作介質的微波激射器，取名為“微波激射放大器”（Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation），簡 稱MASER（微波激射器）（見圖1）.

圖1 湯斯和他的微波激射器

3 激光器的誕生

到了1958年，湯斯和A.I.肖洛發表了著名論文“紅外與光學激射器”，指出了實現光受激輻射的可能性，以及實現“粒子數反轉”的必要條件.他們的論文使在光學領域工作的物理學家馬上興奮起來，紛紛提出各種實現粒子數反轉的實驗方案，從此開辟了嶄新的激光研究領域.同年蘇聯科學家N.G.巴索夫和A.M.普羅霍羅夫發表了“實現三能級粒子數反轉和半導體激光器建議”論文.

在研究激光器的過程中，應把引進光學諧振腔的功勞歸于肖洛.湯斯原先設計的封閉型諧振腔振動模式太復雜.而肖洛長期從事光譜學研究，熟悉各種干涉儀.他設計的開放式諧振腔結構，振動模式比較簡單，就是從法布里－珀洛干涉儀那里得到啟示的.正如肖洛自己所說：“我開始考慮光諧振器時，從兩面彼此相向鏡面的法布里－珀洛干涉儀結構著手研究，是很自然的.”

在1959年9月召開的第一次國際量子電子會議上，肖洛提出了用紅寶石作為激光的工作物質.不久，肖洛又具體地描述了激光器的結構：“固體微波激射器的結構較為簡單，實質上，它有一棒（紅寶石），它的一端可作全反射，另一端幾乎全反射，側面作光抽運.”［4］

遺憾的是，肖洛沒有及時得到足夠的光能量使粒子數反轉.因為肖洛關于紅寶石激光器的設計已經公之于世，這個轉瞬即逝的歷史機遇戲劇性地被別人抓走了，休斯公司的物理學家T.H.梅曼按照肖洛的設計方案，巧妙地利用強大的閃光氙燈作光抽運，激發了紅寶石分子，從而獲得粒子數反轉，搶先獲得了成功.1960年6月，在羅切斯特大學，召開了一個有關光的相干性的會議，在會議上，梅曼成功地操作演示了一臺用紅寶石制成的激光器.同年7月份，梅曼的激光器被公布于眾.世界上第一臺激光器宣告誕生（見圖2）.

圖2 紅寶石激光器原理圖

1964年，諾貝爾物理學獎一半授予湯斯，另一半授予蘇聯科學院列別捷夫物理研究所的巴索夫和普羅霍羅夫，以表彰他們從事量子電子學方面的基礎工作，這些工作導致了基于微波激射器和激光原理制成的振蕩器和放大器.梅曼也獲得了兩次諾貝爾獎提名，并獲得了物理學領域著名的日本獎和沃爾夫獎.肖洛則因為激光光譜學方面的卓越成就而獲得了1981年諾貝爾物理學獎.

4 案例分析

1）基礎科學的每一個發現總有它的應用潛力.如前述，依據受激輻射理論，一個光子，可以引發一個相干光子，一個變兩個.那么，只要條件合適，就可以從兩個變四個，四個再變八個，……如此變下去，不就實現了光放大了嗎？于是人們認識到，愛因斯坦提出的受激輻射理論，具有光放大的潛力.這就是對受激輻射理論“效應潛力”的挖掘.

2）當時人們已經認識到，粒子數反轉是放大的必要條件.為了實現這個條件，湯斯采用氨分子.這是因為湯斯對氨分子的特性很了解，而且之前已有人用微波的方法對氨分子的光譜作了深入研究，其精細結構也被觀察.為了加強微波的放大，湯斯想到了加諧振腔.這是因為湯斯有微波研究的背景和經驗，而在傳統微波線路中，諧振腔是主要器件之一.在后來的紅外及可見光波段的受激放大中，湯斯設計的封閉型諧振腔因為模式太復雜不好用.光學家肖洛熟悉光學儀器，就把它改用法布里－珀洛干涉儀代替，獲得了成功.知識面和經驗決定了發明家的選擇.前述湯斯采用氨分子來實現粒子數反轉和微波激射器采用諧振腔，以及光激射器采用法布里－珀洛干涉儀作諧振腔，等等，都是“條件實現改進法”的體現.

3）微波激射器的諧振腔和光激射器的光學諧振腔，使輻射在其中反復振蕩，利用受激輻射的正反饋作用使得微波和光波極大地增強，可以看成“效應倍增法”的使用.

4）激光器的發明，綜合了受激輻射理論、粒子數反轉、氣體固體能級結構、諧振腔等基本理論.沒有這些基礎科學的積累，就不可能有激光器的發明，也不可能有開創性的發明.說明基礎科學的研究和積累，對形成一個國家創造力的極端重要性.另一方面，激光器的發明，顯然需要高深的物理學知識和物理實驗能力，從愛因斯坦高瞻遠矚的受激輻射理論，到湯斯、肖洛等人對氣體、固體能級的理解，以及他們的實驗方案設計，都不可能由局外人參與，是一場責無旁貸地由物理學家親自扮演發明家的歷史大戲.這對中國的物理學家也許是一個啟示吧.

［1］ 劉家岡，李俊清，王本楠.物理學家的技術發明案例分析（Ⅰ）.物理與科學（待發表）

［2］ 劉家岡，李俊清，王本楠.物理學家的技術發明案例分析（Ⅱ）.物理與科學（待發表）

［3］ 董克.人類希望之光——激光.上海：上海交通大學出版社

［4］ Steven Chu and Charlesh Townes，Arthur Schawlow，Biographical Memoirs， V83， 2003， The National Academies Press，Washington，D.C.

2011－09－07）

劉家岡（1942年出生），男，漢族，湖南人，北京林業大學理學院教授，主要從事物理教學與研究.